基于RecurDyn的城轨微动塞拉门系统动力学仿真

陈健飞，王云霞，贡智兵，王祖进，施晶晶



基于RecurDyn的城轨微动塞拉门系统动力学仿真

陈健飞1,2，王云霞2*，贡智兵1，王祖进1，施晶晶1

（1. 南京康尼机电股份有限公司，江苏 南京 210038；2. 南京工程学院机械工程学院，江苏 南京 211167）

基于RecurDyn多体动力学分析软件，对城轨微动塞拉门系统构建虚拟样机，模拟微动塞拉门系统运动过程，提出一种构建接近真实工况动力学模型的方法。将导入RecurDyn的三维装配模型进行部件模块划分，设置材料属性；根据实际运动关系，在各部件之间添加运动副以及接触副；并设置门系统所受载荷、驱动等参数。其后通过物理样机实验采集数据，将仿真结果与实验数据比对，并对仿真分析参数修正，最终获取接近真实工况的动力学仿真模型。

RecurDyn；微动塞拉门；虚拟样机；动力学模型

0 引言

随着世界经济的高速发展，轨道交通行业凭借其轻污染、低能耗、安全可靠等优势在世界范围内得到越来越广泛的重视[1-3]。轨道列车门系统为轨道列车核心部件之一[4]，而微动塞拉门解决了传统塞拉门关门难、门系统重量重的问题，也克服了传统外挂门隔音密封效果不好的缺陷[5]。

微动塞拉门系统目前仍然采用传统结构设计以及物理实验的方法，即结构设计—物理样机验证—结构修改—样机再验证的方法，如此反复，使得设计周期过长，研发成本过高。随着虚拟样机技术的不断发展，利用虚拟样机可以大幅度减少设计以及实验周期，缩短研发时间，降低研发成本[6-12]。因此利用RecurDyn等多体动力学软件构建微动塞拉门系统的虚拟样机[13-16]，利用仿真模型模拟真实工况，可以为结构设计以及实验提供理论依据，最终达到代替部分物理实验的目的。

1 微动塞拉门系统机构分析

通过SolidWorks软件对微动塞拉门系统进行零部件三维模型构建和装配。如图1所示，微动塞拉门系统组成部分主要包括：驱动机构、承载导轨组件、左右门扇、承载小车组件等，并将该模型转化为RecurDyn通用格式文件，用以构建动力学模型。

图1 微动塞拉门装配模型

微动塞拉门系统驱动机构如图2所示。由电机驱动丝杆旋转，通过丝杆将电机的驱动力经由螺母组件、H传动架以及铰链座传递至左右门扇上，实现对门扇的开门关门驱动作用。

微动塞拉门左右门扇通过携门架与承载小车连接，承载小车上的承载轮、防跳轮分别支撑承载导轨上下两端，如图3所示。

图3 微动塞拉门承载小车

微动塞拉门系统开关门过程中具有微塞拉动作，为了实现门扇X-Y方向上的同步运动，门系统导向主要由位于承载导轨组件下部的上滑道机构以及门扇下端的下滑道机构组成，如图4所示。门扇上部与导向轮连接，上滑道与承载导轨连接，携门架与左右门扇以及承载小车连接；下滑道与门扇连接，车体门框下端与导向轮连接。导向轮分别在上滑道以及下滑道内部运动，实现门扇直线运动以及微塞拉动作。

图4 微动塞拉门导向机构

2 构建动力学仿真模型

2.1 材料属性设置

为提高整个模型的仿真运算速度，将具有相同运动关系的零部件合并在一起，通过RecurDyn软件中的merge功能得以实现，依据合并前的零部件材料属性参数对merge后各body设定整合后的零部件相对材料参数，具体包括部件质量、质心坐标、转动惯量等。

2.2 运动副设置

根据微动塞拉门系统各零部件之间运动关系，对各部件运动副进行设定，如表1所示。

2.3 接触副设置

定义微动塞拉门系统接触副，主要包括：螺母组件内部接触、螺母组件与变导程丝杆接触、导向轮与上下滑道内侧接触、承载轮与承载导轨下导轨接触、防跳轮与承载导轨上导轨接触、压轮与车体接触。具体接触类型以及接触参数初步设置，如表2所示。

2.4 载荷驱动设置

对微动塞拉门系统设置载荷，如图5所示。在仿真模型的螺母组件的塑料螺母与螺母座之间建立扭簧力（Rotational Spring），模拟螺母组件内部扭簧作用力。在模型的左右门扇之间沿着门扇运动方向建立变刚度弹簧模拟门扇护指胶条反弹力，通过实验获取胶条反弹力变形与作用力的关系曲线，根据此关系设定变刚度弹簧刚度曲线。考虑左右门扇在实际工况下，为保证门系统在关门状态下的密封效果，门扇会调整为V型状态，即门扇下端护指胶条会先接触产生反弹力，因此动力学模型根据工况的V型来设定变刚度弹簧依次产生作用的顺序，以模拟门扇V型工况。在仿真模型的门框周边与车体之间建立均布载荷模拟周边胶条与车体之间的作用力，均布载荷建立方向为车体的垂直方向。对丝杆与车体之间的旋转副增加驱动速度，模拟电机对丝杆的驱动作用。

表1 运动副设定

Tab.1 Motion pair setting

表2 接触参数设定

Tab.2 Contact parameters setting

图5 微动塞拉门载荷施加

2.5 摩擦系数设置

设定微动塞拉门模型的运动副的摩擦系数，以实现仿真模型摩擦力接近真实工况中的运动阻力。为了提高模型的分析速度，仅对模型中承载小车与承载轮以及门扇与导向轮共8个旋转副设定摩擦系数。

通过城轨门系统手动关门力实验获取物理样机关门阻力，由EN14752要求人从车内或车外施加不超过150 N的力，以不超过50 mm/s的速度关门，其实验方法如图6所示，经实验所得手动关门力约80 N。

构建微动塞拉门系统手动关门动力学模型，手动测量开关门力时，系统中的阻力主要由两部分组成，一部分是电机的静态摩擦扭矩引起，另一部分是机械部分零部件之间的传动阻力，其中电机的静态摩擦扭矩为0.12 N×m，为模拟电机的静态摩擦扭矩对手动开关门力的影响，在丝杆段添加0.12 N×m，为模拟手动开关门力，在门扇前档边沿构建弹簧力，通过拖拽弹簧，使弹簧拉力传递到门扇，当弹簧力大于门扇运动阻力，门扇即可运动，通过测量弹簧张紧力即可间接获得门扇开关门过程的动态变化力，手动关门动力学模型如图7所示。通过调整仿真模型运动副摩擦系数，使得仿真手动关门力于匀速段约80N贴近实验所得，仿真弹簧张紧力曲线如图8所示。

图6 手动关门实验

图7 手动关门动力学模型

图8 手动关门仿真数据

3 仿真分析验证

3.1 真实数据采集

对微动塞拉门样机进行电动开关门实验，如图9所示，通过数据采集模块读取门系统电机数据，采集多组电机转速以及电流曲线，如图10所示。

图9 微动塞拉门试验样机

图10 微动塞拉门系统关门电机数据曲线

3.2 分析与验证

对微动塞拉门系统台架试验所获取得电机转速曲线取均值，如图11所示，将电流转换为扭矩，并将此速度均值曲线作为微动塞拉门关门时丝杆驱动转速。对微动塞拉门机械系统进行动力学仿真分析，获取丝杆的驱动扭矩曲线，并将该曲线与所采集的电机扭矩曲线进行对比分析，如图12所示。仿真数据与实验采集数据之间的误差在10%以内认为较为准确，图中所示分析数据除最终锁闭点误差外已基本达到10%范围之内，而锁闭接触点位置由于该动力学模型为开环系统，无扭矩反馈，故此接触位置由于速度存在使得零件接触位置出现轻微穿透，使得扭矩陡然上升，拟合分析的接触参数修正如表3所示。

图11 分析驱动速度曲线图

图12 仿真分析曲线与样机采集曲线

表3 接触参数修正

Tab.3 Correction contact parameter

4 结论

本文基于RecurDyn动力学仿真分析软件对微动塞拉门系统构建机械系统的动力学仿真模型，提出了一种拟合真实工况的模型构建方法。分别分析了微动塞拉门系统各部分之间运动关系，并根据运动关系设定运动副、接触副、系统内部载荷、外部载荷以及系统驱动。通过物理样机各性能试验采集相关性能数据对初步设定的各参数进行优化，得到接近真实工况的动力学模型，该模型能够较为准确的反应微动塞拉门系统运动过程中各部件相互关系，对各部件运动姿态、受力情况给出定量的理论依据，有助于大大减少试验周期，降低研发成本。

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Dynamic Simulation of Jiggle Sliding Plug Door System for Urban Rail Micro Motion Based on RecurDyn

CHEN Jian-fei1.2, WANG Yun-xia2*, GONG Zhi-bing1, WANG Zu-jin1, SHI Jing-jing1

(1. Nanjing Kangni Mechanical & Electrical Co. Ltd., Nanjing 210038, China; 2. School of Mechanical Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing, 21167, China)

Based on multi-body dynamics analysis software RecurDyn, a virtual prototype was constructed to simulate the movement process of the Jiggle Sliding Plug Door system of urban rail. There was proposed a method to construct a dynamic model close to the real working condition. The three-dimensional assembly model imported into RecurDyn was divided into component modules, and the material properties were set. According to the actual motion relationship, the motion pairs and contact pairs were added between the components, and the load and drive of the door system were set. Then the simulation results were compared with the experimental data, and the simulation analysis parameters were modified. Finally, the dynamic simulation model close to the real working condition is obtained..

RecurDyn; Jiggle sliding plug door; Virtual prototype; Dynamic model

TP271+.2

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.008

校级创新基金重大项目“面向服务的智造资源智能响应与服务技术的研究”(CKJA201509)

陈健飞(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向：轨道车辆门系统；贡智兵(1980-)，男，博士，工程师，主要研究方向：轨道车辆门系统；王祖进(1988-)，男，博士，工程师，主要研究方向：轨道车辆门系统；施晶晶：(1988-)，女，硕士，工程师，主要研究方向：轨道车辆门系统。

王云霞(1976-)，女，博士，教授，主要研究方向：智能制造。

陈健飞，王云霞，贡智兵，等. 基于RecurDyn的城轨微动塞拉门系统动力学仿真[J]. 软件，2018，39（12）：32-36